光的偏振(第五章)ppt课件.ppt

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1、第五章,主要内容,掌握自然光,偏振光的基本概念。熟练掌握布儒斯特定律和马吕斯定律。了解尼科耳棱镜产生偏振光的原理。了解各种偏振光的实验检定。了解偏振光的干涉。,5.1 光的横波性及偏振态,偏振光,一、偏振现象,上面一幅图是我们通常看到的照片，但是如果我们实际看到的却是下图的景象。这是因为水面的光大部分是偏振光，拍照时我们可以通过特定的装置滤去偏振光而消除水面的强烈反光，从而拍摄到水下的景象。,玻璃的反光也有同样的效果，如右图偏振光在日常生活中普遍存在，只是因为人眼无法分辨而显得陌生其实光滑的非金属表面在一定角度下反射形成的眩光就是偏振光 ；蓝天在与太阳方向成90度的垂直方向散射的也是偏振光,二

2、、偏振的定义,纵波（longitudinal wave）：波的振动方向与传播方向一致横波（transverse wave）：波的振动方向与传播方向垂直,区别：横波有偏振，纵波无偏振,偏振: 波的振动方向相对于传播方向的不对称性。,区别: 横波有偏振,纵波无偏振.,电磁矢量均与光的传播方向垂直，光和物质的相互作用主要由电矢量决定。,光矢量指电矢量,光波是横波,在与传播方向垂直的二维空间里光矢量可以有各种不同的振动状态(偏振态)。,光的五种偏振态:,1.自然光(非偏振光),2.平面偏振光(线偏振光),3.部分偏振光,4.圆偏振光,5.椭圆偏振光,1、 平面偏振光：（线偏振光）,三、偏振态,有确定的

3、振动平面,光矢量沿一固定方向振动,图示法：,数学表达式:,其中,对任意方向振动的线偏振光可分解为两束振动方向相互垂直、同位相的线偏振光的叠加.。,任意方向:,2、 自然光：,实验：普通光源，转动偏振片，都有光，且光强一样。说明普通光源（太阳光、灯光、烛光等）各方向都有振动。,X,（1）微观:每一原子发光每次发射的是一理想单色简谐波，各原子发光是随机的，其偏振方向、位相分布都是无规则的、彼此无关联的。,（2）宏观:大量原子发光，那么入射光中包含了所有方向的横振动，迎着光看，振动方向对光的传播方向形成轴对称分布,原因:,自然光的特点:,A、光矢量振动分布呈现时间、空间均匀性,B、自然光不是偏振光、

4、大量原子的随机辐射掩盖了其偏振本性。,C、哪个方向也不比其他方向更优越（演示实验）所以叫自然光。,把所有这些振动分解为两个互相垂直的分量（只要垂直，任意方向均可）,自然光可看成是两振幅相同，振动方向相互垂直的非相干的平偏光的迭加。,图示法：,3 、 线偏振光的获得：,由一些选择性地吸收不同方向电矢量（称为二向色性）的晶体做成的薄片。它只允许特定方向（称为透振方向）的电矢量通过，可以用来制造或检验线偏振光,(1)偏振片：,如:电气石晶体，电矢与晶体光轴平行时，吸收小，与之垂直时，光被强烈吸收。,另一种硫酸碘奎宁晶体，比电气石好，但晶体小，可在拉伸后的赛璐璐基片上蒸镀一层奎宁晶体颗粒，基片应力使晶

5、粒的光轴定向排列，便可得到较大面积的偏振片。,起偏器,检偏器,：偏振片的透振方向,：偏振片的透振方向,（2）马吕斯定律:,I0,P,I,马吕斯定律（1809）,P表示偏振片的透振方向,自然光透过偏振片后光强减少一半！,例1：将两偏片P1与P2共轴放置，用强度I1的自然光和I2的平偏光同时垂,直入射到P1上，从P2透出后又射到P2上。,（1）P1放置不动，将P2以光线方向为轴转一周，光强如何变化？,（2）欲使光强最大，如何放置P1和P2？,解：设P1、P2的偏振化方向夹角为,入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方向夹角为,对自然光：,线偏振光：,因 和 是非相干光,即观察到的光强随P1的转动而周期

6、性变化,时,时,得到最大光强，须同时满足,则,先调 / ,同时转动 , .使透射光强达到最大.,例：将一偏振片沿 角插入一对正交偏振器之间，自然光经过它们，强度,减为原来的百分之几？,P1,P2,P3,I1,I2,2,1,n,I,I,=,线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化，有消光现象,自然光通过旋转的检偏器，光强不变。,4、部分偏振光,部分偏振光是自然光与线偏振光的混合,部分偏振光,部分偏振光的分解,部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。,表示法：,（1）偏振度,垂直方向的最小光强,沿某一方向的最大光强,当,时,自然光,当,时,平偏光,部分偏振光,(2) 部

7、分偏振光是自然光与线偏振光的混合,例：用偏振片观察一部偏光，当偏振片由对应光强最大的位置转过300，光,光强减为原来的 ，试求其中自然光与平偏光强之比及光束的偏振度。,解：,转,(1),(2).,三、反射光的偏振 态,菲涅尔公式:,又,(无位相关联),1.反射光的偏振 态,讨论:,有,合成一束自然光,（2）当,时,反射光是部分偏振光,如果入射光是平偏光，则反射光仍是平偏光。,(3)布儒斯特定律,当,时,即平行分量完全不能反射，反射光为振动方向垂直入射面的线偏光。,自然光,线偏振光,部分偏振光,布儒斯特角,布儒斯特定律,2、透射光的偏振态,仍为部分偏振光，当以布氏角入射时，反射光为线偏光，这时透

8、射光偏振度最高。,(接近线偏振光),多次折射！,如何使透射光变为线偏光？,5.2 双折射,一、双折射,当一束光入射到各向异性介质中时（如：方解石、石英等），折射光将分为两束，各沿略不同的方向传播，称为双折射现象。,光,当方解石晶体旋转时o光不动，e光围绕o光旋转,双折射,纸面,方解石 晶体,光,双折射,当方解石晶体旋转时o光不动，e光围绕o光旋转,纸面,方解石 晶体,光,当方解石晶体旋转时o光不动，e光围绕o光旋转,双折射,纸面,方解石 晶体,光,当方解石晶体旋转时o光不动，e光围绕o光旋转,双折射,纸面,方解石 晶体,o光（寻常光）：入射角、折射角满足折射定律，均在入射面内，入射面与折射面始

9、终保持在同一平面。e光（非常光）：不满足折射定律，折射光不在入射面内，折射面与入射面有一小夹角，此角与入射角有关，也与晶体取向有关。,二、光轴和主截面,1、光轴：变更入射光方向发现存在一些特殊方向， 沿光轴方向传播，光不发生双折射（ 并不限一条直线，代表方向）。,2、主截面:,光线与光轴所在平面叫这根光线的主截面。,o光和e光的主截面夹角很小,当光轴位于入射面内，两主截面重合,由两主截面夹角很小，一般也认为重合。,3、o，e光的偏振态均为平偏光:,o光振动方向垂直主截面,e光振动方向平行主截面,三、o光和e的相对强度,不论入射光是自然光或平偏光，均产生双折射现象。,1、入射光为自然光,2、入射

10、光为线偏光,俯视,O光,e光,O,主截面与平面的交线,在晶体中o光和e光的强度：,相对光强：,出射晶体后，无o，e之分，但光强不同 ：,5.3 光在晶体中的波面,1. O光在单晶中的波面,O光的波面为球面,各向同性,2. e光在单晶中的波面,各向异性,e光的波面为旋转椭球面,绕光轴旋转,如（a),如（b),负晶体：,沿光轴的方向相切,正晶体：,3.单晶体的分类,负晶体,正晶体,O光和e光的折射率,光在单轴晶体中传播时，某一时刻旋转椭球面和球面波在光轴方向相切，因而沿光轴方向传播的光，无论o光或e光，传播速度都相同，因而不发生双折射。,o光 ：,各向一样,e光：因在不同方向，速度不一样，折射率不

11、一样,对e光有无数个折射率,e光的主折射率:,光沿垂直于光轴方向传播时的折射率,此时，e光遵循折射定律,5. 光在晶体中的传播方向,一利用惠更斯作图法确定光的传播方向,又,各向同性,二光在单晶中的传播方向,以负晶为例,、光轴与单晶表面有夹角,光轴在入射面内,光轴与入射光平行,光轴不在入射面内,光均不满足折律。,光均不满足折律。,上述三种情况，,e光均不满足折律。,二、光轴垂直晶表，并平行于入射面,e光不在入射面内,如（a),三、光轴平行晶表，平行入射面,四、光轴平行晶表，垂直入射面,（1）光垂直入射,（2）斜入射,如（C),如（b),5.5 偏振元件,1、汽车车灯 汽车夜间在公路上行驶与对面的

12、车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。,应用,一、偏振片,另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。,2、观看立体电影

13、在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。,二、尼科耳棱镜,方解石晶体,加拿大树胶,O光入射角大于其临界角arc sin(1.55/

14、1.658)=69012，被全反射，在BC处为涂黑层所吸收。,B,C,A,D,出射光为平行于主截面的平面偏振光（e光）,用作起偏、检偏器,第一块棱镜起偏，第二块棱镜检偏,作用：,三、沃拉斯顿棱镜,有两个光轴相互垂直的直角棱镜组成。自然光入射，o光e光同向传播，在第二块棱镜中分开。产生一对分开，振动互相垂直的线偏光出射角：,四、波晶片,波片是光轴平行表面的晶体薄片。,通过厚为d的晶片，o、e光产生光程差和相位差：,从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差的线偏振光.,(1) 四分之一波片,(2) 二分之一波片,使线偏振光振动面转过2角度,Ae入= Ae出入,左，二分之一波

15、片线偏振光垂直入射到半波片时，透射光仍为线偏振光。假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为a，则透射线偏光的振动面转过2a。右，四分之一波片，使线偏光变为圆偏光,5. 椭圆和圆偏振光,一、椭圆偏振光,1、表达式,如果有两束平偏光，其振动方向垂直，但位相相差 ，传播方向一致，,则其合成波可写为：,消去时间因子,合成后的矢量大小，方向都在改变，其末端轨迹描出一个椭圆，称椭圆偏振光,、,2. 与椭圆形状的关系,平面偏振光,沿顺时针旋转，右旋椭圆偏振光,沿逆时针 旋转 左旋椭圆偏振光,二、圆偏振光,椭圆偏振光的特例,+ 右旋, 左旋,三、椭圆偏振光和圆偏振光的获得,线偏振光通过 波片后将变为椭圆(圆)

16、偏振光,圆偏振光通过l/2波片后仍为圆偏振光，但转动方向与原来的相反,5.7偏振态的实验检定,自然光、圆偏光：光强无变化,线偏振光：存在消光角度,椭圆偏振光：光强有极大极小部分偏振光与此现象相同,方法：,第一步：让光通过检偏器,并让检偏器旋转一周，则,线偏振光:两次光强最大,两次为零,部分偏振光和椭圆偏振光：两次光强最大,两次最小,但不为零,自然光和圆偏振光：光强始终不变,第二步：区别自然光与圆偏振光， 部分偏振光与椭圆 偏振光,区别自然光和圆偏振光:,在检偏器前加一块l/4波片,经l/4波片,后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，,有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光,区别部分偏

17、振光和椭圆偏振光:,l/4波片的光轴方向平行于椭圆偏振光的长轴或短轴,经l/4波片后椭圆偏振光变为线偏振光，可根据光强的变化进行区别,5.8 偏振光的干涉,一. 偏振光干涉装置,二. 偏振光干涉的分析,光轴,设 与波片光轴的夹角为 , 与波片光轴的夹角为,从波片出来的两束光:,通过 后,出射光（在同一方向振动）,光轴,两束光的位相差，由两个因素造成,（1）由波片引入的位相差,（2）因P1、P2波片的放置不同造成,P1、P2在波片同侧，额外位相差0,在波片同侧，额外位相差,、,三、几种特殊情况,(1)单色光入射，晶片厚度均匀,强度互补,因晶片厚度d一样，屏幕上亮度均匀，要么全亮，要么全暗,当,时

18、,当,时,()单色光入射，晶片厚度不均匀,则屏上出现等厚干涉条纹。,()白光入射，晶片厚度均匀,屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色这叫（显）色偏振。,如 红色相消青色；蓝色相消黄色，绿色相消品色,红青白,蓝黄白,绿品白,()白光入射，晶片厚度不均匀,彩色的等厚干涉条纹,石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）,5.9 光的弹性效应和电光效应,一、光的弹性效应（应力双折射）,有些各向同性的材料，如玻璃和塑料，在受到应力的情况下也成为各向异性材料，有双折射现象，这种现象叫光的弹性效应,F,介质所受应力的方向就是介质的光轴,应力各向异性,在一定应力范围内：, v 各向不同, n各向不同,C材料系数

19、P应力,应用：研究介质应力的分布，介质所受力均匀，观察到的颜色 是同时的，介质所受力不均匀，有的地方应力比较大，有的地方应力比较小，这样不同的地方出现的颜 色也就不同,二、电光效应,1.克尔效应(二次电光效应),在各向同性透明介质中加电场使其现出各向异性，从而使光产生双折射，这种现象称为电光效应,1875年，克尔（J.Kerr）首先在玻璃中发现了双折射现象，以后在某种液体中家电亚压也发现了这种现象，所以叫克尔效应,通电：单晶性质（光轴与E相同）， 线偏正光成为椭圆偏振光，因而能部分通过检偏器,克尔盒,由于折射率改变与电场强度是平方关系故克尔效应也叫二次电光效应,k 克尔常数 E 电场强度,相位

20、差为：,d平板间的距离；V平板间的电势差,折射率改变与电场强度的关系是:,应用：V变,变 光强I变 利用克尔盒可对偏振光光强进行调制，作光闸,2.泡克尔斯效应(一次电光效应),在石英晶体（或某些别的晶体上）加电场，晶体感生附加的双折射，称为泡克尔斯效应,激光,起偏器,检偏器,晶体,透明电极,调制电压,位相差：,其中,为感生折射率差,根据晶体光学理论，它们分别满足下面的公式,其中,KDP中O光的折射率,E外加电场强度,电光系数，与晶体的取向有关的量,位相差可变为,因此，改变电压控制位相，调制光强,应用：高速开关，调制器, 5.10 平面偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋光 一、旋光现象 二、旋光现

21、象的解释 三、 磁致旋光的应用,一、物质的旋光性,1811年 法国物理学家阿喇果发现线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时其振动面发生旋转称为旋光现象,氯酸钠、乳酸、松节油、糖的水溶液等也都具有旋光性,a 旋光率,旋转的角度：,旋光率 a 与旋光物质性质和入射波长有关,物质的旋光性和物质原子排列结构有关 同一种物质可以有左旋和右旋左旋：迎面观察通过晶体的光，振动面按顺时针方向旋转；右旋：迎面观察通过晶体的光，振动面按逆时针方向旋转；,二、旋光现象的解释,线偏振光可看作是同频率、等振幅有确定相位 差的左(L )、右(R )旋圆偏振光的合成 线偏振光左(L )旋圆偏振光 右(R )旋圆偏振光,菲涅耳提出

22、一种唯象理论来解释物质的旋光性质,光通过旋光物质后 相位会滞后,在出射面上：,设入射时L、R 初相为0,旋光物质长为l,光通过左旋物质,L和R电矢量合成的线偏振光向左偏离初始状态 此物质为左旋体,由图示：,令,旋光率,(a),(b),l,与 nR nL 有关,三、磁致旋光的应用,旋转的角度,V 费德尔常量,当平面偏振光通过处于通电螺旋管磁场中的物质（水 、二硫化碳、食盐）时，振动面也会产生旋转，这种性质磁致旋光，这种现象叫法拉第效应,对磁致旋光物质振动面的左旋或右旋 与光的传播方向是顺磁感强度方向还是 逆着磁感强度方向有关，光沿着磁感强 度方向与逆着振动面旋向相反,对自然旋光物质振动面的左旋或右旋 是由旋光物质本身决定的与光的传播方向无关,